东华大学ACS Nano：仿北极熊毛发纳米纤维气凝胶，一招实现多模式热调节，厚度仅为羽绒三分之一！

在严寒环境中维持人体37℃左右的恒温至关重要，然而传统纤维材料（如棉、羽绒）因纤维直径粗、孔隙率低、易吸湿等局限，导致保暖制品笨重且隔热性能有限。气凝胶虽具备极低密度和高孔隙率，但其脆性和差力学性能严重阻碍了实际应用。如何在超轻、高孔隙率的同时赋予材料机械鲁棒性，成为下一代热调节纺织品研发的核心挑战。

受北极熊毛发多级结构启发，东华大学丁彬教授团队刘一涛教授、王赛博士合作通过基于快-慢相分离的同轴静电纺丝技术，一步法设计出具有多孔芯/致密壳结构的仿生纳米纤维，并使其自组装为气凝胶（CSNA）。该材料密度仅5.5 mg/cm³，热导率低至26.45 mW/(m·K)，可承受自身重量20000倍载荷而不破裂；仅羽绒三分之一厚度即可实现同等保暖效果。掺杂碳黑后，CSNA还具备高效焦耳热和光热转换能力，实现被动与主动按需加热模式切换。相关论文以“One-Step Synthesis of Polar-Bear-Hair-Inspired Nanofibers for Multimodal Thermal Regulation”为题，发表在ACS Nano上。

扫描电镜与透射电镜表征显示，CSNA内部呈现出均匀的层状波纹结构，大量卷曲纳米纤维随机缠结并相互连接，形成连续三维纤维网络。纤维之间的结合点源于高湿环境下壳层溶剂延迟蒸发，残留溶剂充当“粘合剂”。单根纳米纤维具有清晰的多孔芯/致密壳结构——芯层为约20–50 nm的连通纳米孔，壳层致密。与北极熊毛发中约15–20 µm的连续大空腔相比，该仿生纤维直径仅约600 nm，实现了该结构基元的纳米化重构。

图1. CSNA的设计与制备。 (a) 北极熊毛发的微观结构。(b) 通过湿度诱导同轴静电纺丝制备CSNA的路线示意图。(c-e) CSNA的SEM图像：(c) 横截面视图，(d) 缠结纤维网络，(e) 纤维结合点。(f) 单根纳米纤维的TEM图像，揭示多孔芯/致密壳结构，插图为对应的SEM横截面。(g) 照片展示CSNA的超轻特性。(h) 可压缩性和承载能力演示。(i) CSNA与羽绒的光学和红外成像隔热性能比较。(j) 大尺寸CSNA照片及通过该同轴静电纺丝策略制备的多种纤维气凝胶示例。

为了直接合成这种多孔芯/致密壳结构，团队系统调控了同轴射流的环境相对湿度。在30% RH下，纤维呈珠串状且内部致密；60% RH时珠串消失，纤维开始出现孔隙；90% RH下获得均匀纤维（平均直径614 nm）和发育良好的多孔结构。机理研究表明：疏水性PSU芯层在高湿下快速相分离形成多孔，而富含极性基团的PU壳层因与水分子亲和力高、相分离较慢，形成致密外壳。氮气吸附测试证实，90% RH下样品的比表面积达30.2 m²/g，孔体积0.11 cm³/g，孔隙率高达99.57%，而30% RH样品仅1.4 m²/g和0.003 cm³/g。红外热成像显示，90% RH样品在50℃热台上表面与热台温差达12.78℃，远高于30% RH（3.24℃）和60% RH（8.7℃）。

图2. 多孔芯/致密壳结构的形成与表征。 (a-c) 分别在30%、60%和90% RH下制备的纳米纤维SEM图像；插图为单根纤维横截面视图。(d) 多孔芯/致密壳结构的形成机理。(e) PSU/DMAc/H₂O和PU/DMAc/H₂O体系的三元相图。(f) 不同RH条件下制备的纤维的氮气吸附-脱附等温线；插图为放大视图。(g, h) 不同RH条件下制备的样品的孔径分布、BET比表面积和孔体积。

力学测试表明，通过优化壳/芯供液速率比（4/2），CSNA的最大拉伸应力达246.24 kPa，拉伸应变104.6%，优于多数已报道气凝胶材料。在80%压缩应变下应力达4.28 kPa，且可完全回弹；经60%应变下1000次循环压缩后仍保持85%以上初始应力，高度抗疲劳。动态力学分析显示在0.01–1 Hz范围内储能模量、损耗模量和阻尼比变化极小。原位SEM观察揭示了弹性机制：拉伸时卷曲纤维网络先被拉直，应力随后传递至纤维间结合点并通过多路径耗散，最终由致密PU壳层通过形变和颈缩承担主要载荷，同时保护芯层多孔结构；压缩时桥接纤维像“机械弹簧”一样发生弯曲，层间间距减小，卸载后完全恢复。

图3. CSNA的力学性能。 (a-c) 不同供液速率比下纤维组装的SEM图像。(d) 不同供液速率比下纤维组装的拉伸应力-应变曲线。(e) 与其他已报道气凝胶材料的最大拉伸应力和应变比较。(f) 不同应变下的压缩σ-ε曲线。(g) 1000次压缩后的抗疲劳性能评估。(h) 动态力学性能：储能模量、损耗模量和阻尼比随频率的变化。(i) 拉伸和压缩恢复过程中的原位SEM观察。(j) 力学性能增强机理示意图。

CSNA的水接触角随壳/芯供液比增大从121°升至143°（4/2时为142°），对果汁、牛奶、咖啡、可乐等日常液体均表现出抗润湿性，并具有自清洁和防污功能。同时，高孔隙率结构赋予良好的透湿性，实现防水与透气双重性能。热传导理论分析表明：CSNA孔径（约0.6 µm）远低于自然对流起始特征尺寸（~1 mm），气体对流可忽略；小孔径诱导克努森效应抑制气体传导；极低体积密度（5.5 mg/cm³）和99.57%孔隙率降低固相传导；三维卷曲纤维网络和多孔芯/致密壳结构中大量固-气界面通过多级散射衰减红外辐射。实测热导率为26.45 mW/(m·K)，远低于棉（46.19）、PET（42.22）和已报道北极熊毛发（69±15），接近静态空气（26）。在50℃平台上，CSNA表面温度36.2℃，显著低于棉（39.9℃）和PET（38.1℃）；在0℃和-16℃条件下，CSNA表面分别达27.5℃和20.2℃，远高于棉和PET。以10 mm厚CSNA制成的保暖背心，在三分之一厚度下提供与羽绒背心相当的隔热性能；标准洗涤后羽绒背心厚度收缩37%，CSNA仅收缩25%，且保暖性能仍优于羽绒。

图4. CSNA的多功能性与隔热性能。 (a) 纤维组装体的水接触角。(b) 自清洁行为。(c, d) 透气性与透湿性。(e) CSNA的隔热机理示意图。(f) 与棉和PET的热导率比较。(g) 不同温度下的红外图像。(h, i) CSNA和羽绒背心洗涤前后的红外图像及厚度（插图）。

为实现寒冷动态环境中的多模式热调节，团队在壳层和芯层溶液中均加入3 wt%碳黑纳米粒子。光学和SEM图像证实碳黑均匀分布在聚合物基体中，多孔芯/壳形貌保持完整。在6 V电压下，掺杂碳黑的CSNA表现出强劲电加热响应，表面温度从22.5℃升至34.2℃，升温近12℃，加热速率0.55℃/s；通过调节3 V、4.5 V、6 V电压可精确控温，且18次加热-冷却循环后温度稳定在34℃左右。相比之下，棉、PET和未掺杂CSNA在6 V下最高温度仅27.5℃、28.3℃和29.4℃。在太阳光谱可见光区，掺杂碳黑的CSNA吸收率达95%。模拟太阳光照下，其表面5分钟内快速升至60.5℃，远超棉（38.7℃）、PET（40.5℃）和未掺杂CSNA（31.3℃）；户外自然光实验（9:30–16:30）中，掺杂碳黑CSNA最高达87.6℃，比棉、PET和未掺杂样品分别高出23.2℃、21.9℃和25.2℃。室内外综合测试表明：被动隔热与辐射加热协同作用下，CSNA覆盖的皮肤10分钟内达36.8℃，比裸皮高1.7℃，且温度呈持续上升趋势而非平台期——这归因于多孔结构作为高效“热障”显著减少热量散失，体表辐射热被大量保留在气凝胶下微气候中，形成累积升温。该多孔芯/致密壳纤维架构同时承载焦耳热导电网络、光吸收组分和隔热本体材料，使三种加热模式相互增强，实现动态智能热管理。

图5. CSNA的多模式热调节。 (a) 掺杂碳黑的CSNA照片及SEM图像。(b) 6 V电压下焦耳加热过程中红外相机监测的对应表面温度分布。(c) 3、4.5和6 V电压下的温度-时间曲线。(d) 不同纤维材料的焦耳加热性能比较。(e) 不同纤维材料的太阳吸收光谱。(f) PET、棉、未掺杂CSNA和掺杂碳黑CSNA在模拟太阳光下的热成像图。(g) 棉、PET、未掺杂CSNA和掺杂碳黑CSNA在模拟太阳光下的温度曲线。(h) 不同纤维材料在自然阳光下的实时温度监测。

综上所述，该研究首次通过基于快-慢相分离的湿度诱导同轴静电纺丝，直接开发出仿北极熊毛发的多孔芯/致密壳纳米纤维，用于多模式热调节。所制备的CSNA集超轻、机械鲁棒、高效隔热于一体，并具备疏水、透湿、透气、耐洗涤等实用性能；掺杂碳黑后更可实现焦耳热与光热转换，在寒冷条件下按需切换加热模式。该工作为制备高强度气凝胶纤维提供了通用蓝图，开启了极端环境下智能热调节的新可能。